在現(xiàn)代科學(xué)體系內(nèi),能開辟一個重要研究領(lǐng)域的科學(xué)家并不多,斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授崔屹是其中一個。2016年,美國權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》發(fā)表長篇通訊,專門介紹崔屹和他對硅負(fù)極鋰電池發(fā)展做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。崔屹日前接受新華社記者專訪時說,硅負(fù)極鋰電池正快速走向產(chǎn)業(yè)化,預(yù)計(jì)10年內(nèi)是鋰電池主流發(fā)展方向。
崔屹曾先后在中國科大、哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校學(xué)習(xí),2005年到斯坦福工作。他的一個主要研究方向是利用納米技術(shù)提高電池的性能。在這個領(lǐng)域,崔屹面臨著松下、三星、蘋果以及特斯拉等知名企業(yè)科研團(tuán)隊(duì)的強(qiáng)力競爭,但正如《科學(xué)》通訊文章所言,他“依然是一支開創(chuàng)性力量”,對電池發(fā)展的貢獻(xiàn)“巨大”。
那么,目前主流的鋰離子電池發(fā)展到了什么階段?接下來向何處去?永久待機(jī)的手機(jī)電池能實(shí)現(xiàn)嗎?帶著這些問題,記者在舊金山舉行的中國科大硅谷科技峰會上采訪了崔屹,他也是此次主題為“未來科技二十年”峰會的主席。
崔屹表示,電池最重要的一個指標(biāo)是能量密度,也就是單位重量或單位體積所能儲存的能量。目前電池重量能量密度為一般200到250瓦時每千克,但性能提升相對緩慢。提升這一性能關(guān)鍵在于正極和負(fù)極材料,主要是負(fù)極材料。
他說,目前鋰離子電池主流正極材料是金屬氧化物,而主流負(fù)極材料是石墨,也就是碳。從10年前開始,他開始研究利用硅取代碳,因?yàn)楣柙趩挝恢亓可蟽Υ驿囯x子的量是碳的10倍,“如果硅負(fù)極能取代碳負(fù)極,那么重量能量密度很有可能達(dá)到400瓦時每千克,差不多翻倍”。
當(dāng)今世界,發(fā)展電動汽車已成為大勢所趨,但絕大部分電動汽車的續(xù)航能力還只有兩三百公里,跟傳統(tǒng)汽車相比尚有差距。如果電池能量密度提高一倍,就可以在汽車?yán)m(xù)航能力不變的情況下,將電池體積和成本減半;或者選擇保持電池體積不變,讓續(xù)航能力翻倍。“那就不得了了,”崔屹說,“充一次電比燃油車開得還遠(yuǎn)。”
但是,硅負(fù)極面臨的一個重大挑戰(zhàn),是它在充放電過程中容易破裂。借助納米技術(shù),崔屹在解決這個問題上做出一系列嘗試,目前研制出兩款硅負(fù)極電池產(chǎn)品,一個能量密度為300瓦時每千克,已經(jīng)在中國大規(guī)模生產(chǎn),并向中興等手機(jī)生產(chǎn)廠商供貨,其成本、循環(huán)壽命和安全性都與傳統(tǒng)電池相當(dāng);另一個能量密度為400瓦時每千克,目前只能小規(guī)模生產(chǎn),成本仍需繼續(xù)降低。
“在我做了硅負(fù)極之后,這個領(lǐng)域成長很快,許多電池公司都在研究這個,希望利用納米科學(xué)的辦法來發(fā)展下一代鋰電池材料,”他說,“我的預(yù)測是,市場上將先出現(xiàn)硅碳結(jié)合的負(fù)極材料,然后硅的比例越來越高,能量密度也越來越高,整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大概需要10年時間,10年之內(nèi)硅負(fù)極鋰電池將是主流發(fā)展方向。”
為了更清晰地說明鋰電池的未來發(fā)展,崔屹給記者列出了一個路線圖:目前負(fù)極一般采用石墨,而正極采用鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或者包括三種金屬的三元材料,三元鋰電池能量密度能達(dá)到300瓦時每千克;接下來的硅負(fù)極三元鋰電池能量密度能提升至400瓦時每千克;再之后,金屬鋰做負(fù)極的三元鋰電池能量密度將達(dá)到500瓦時每千克;最終,金屬鋰做負(fù)極、硫做正極的鋰硫電池能量密度將能達(dá)到600瓦時每千克或更高一點(diǎn),是現(xiàn)在的約3倍。
“但金屬鋰負(fù)極會像樹一樣長出枝晶,硫做正極也有不少問題,所以10年后金屬鋰負(fù)極電池可能會有一點(diǎn),但前景還很難說,可是硅負(fù)極電池產(chǎn)業(yè)化是有保證的。鋰硫電池要等到20年后才有可能大規(guī)模化應(yīng)用,但也只是更多將應(yīng)用于車,而不是消費(fèi)電子領(lǐng)域。”他說。
那么,手機(jī)電池最終能實(shí)現(xiàn)永久待機(jī)嗎?崔屹說,與電動汽車更看重電池的重量不一樣,手機(jī)更看重電池的體積,目前手機(jī)電池的體積能量密度為600到650瓦時每升,而他實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的電池體積能量密度能達(dá)到700到750瓦時每升。“我估計(jì)大概提高到1100瓦時每升就到頭了。如果現(xiàn)在手機(jī)一天充一次電,那估計(jì)將來最多也就是2天充一次電。將來的一個發(fā)展方向就是快充,10分鐘充電90%,但那是另一個發(fā)展方向。”他說。
記者請他預(yù)測未來20年電池發(fā)展對日常生活的影響,他說,估計(jì)到2030年左右,電動汽車將會普及。北京到上海1200公里的距離,如果現(xiàn)在要充4次電,屆時將只要充2次;跟電網(wǎng)連接的分布式儲能系統(tǒng)將會普及,電價將會便宜很多,煤發(fā)電廠大大減少,空氣污染程度降低,我們生活的環(huán)境將干凈很多。
責(zé)任編輯: 李穎